La luz liberada alrededor de los primeros agujeros negros masivos del universo es tan intensa que puede alcanzar telescopios en toda la extensión del universo. Increíblemente, la luz de los agujeros negros (o cuásares) más distantes ha estado viajando hacia nosotros durante más de 13 mil millones de años luz. Sin embargo, no sabemos cómo se formaron estos monstruosos agujeros negros.

Nueva investigación dirigida por investigadores del Instituto de Tecnología de Georgia, Universidad de la ciudad de Dublín, Universidad del estado de michigan, la Universidad de California en San Diego, el Centro de Supercomputación de San Diego e IBM, proporciona una vía nueva y extremadamente prometedora para resolver este acertijo cósmico. El equipo demostró que cuando las galaxias se ensamblan extremadamente rápido, ya veces violentamente, eso puede conducir a la formación de agujeros negros muy masivos. En estas raras galaxias, La formación normal de estrellas se interrumpe y la formación de agujeros negros se hace cargo.

El nuevo estudio encuentra que los agujeros negros masivos se forman en regiones densas sin estrellas que están creciendo rápidamente. invirtiendo la creencia largamente aceptada de que la formación masiva de agujeros negros se limitaba a las regiones bombardeadas por la poderosa radiación de las galaxias cercanas. Conclusiones del estudio, informó el 23 de enero en la revista Naturaleza y con el apoyo de fondos de la National Science Foundation, la Unión Europea y la NASA, también encuentra que los agujeros negros masivos son mucho más comunes en el universo de lo que se pensaba anteriormente.

El criterio clave para determinar dónde se formaron los agujeros negros masivos durante la infancia del universo se relaciona con el rápido crecimiento de las nubes de gas pregalácticas que son las precursoras de todas las galaxias actuales. lo que significa que la mayoría de los agujeros negros supermasivos tienen un origen común que se forma en este escenario recién descubierto, dijo John Wise, profesor asociado en el Centro de Astrofísica Relativista de Georgia Tech y autor correspondiente del artículo. La materia oscura se colapsa en halos que son el pegamento gravitacional de todas las galaxias. El rápido crecimiento temprano de estos halos impidió la formación de estrellas que habrían competido con los agujeros negros por la materia gaseosa que fluye hacia el área.

"En este estudio, Hemos descubierto un mecanismo totalmente nuevo que desencadena la formación de agujeros negros masivos en halos de materia oscura en particular, ", Dijo Wise." En lugar de considerar la radiación, tenemos que ver qué tan rápido crecen los halos. No necesitamos tanta física para entenderlo, solo cómo se distribuye la materia oscura y cómo afectará la gravedad a eso. Formar un agujero negro masivo requiere estar en una región rara con una intensa convergencia de materia ".

Cuando el equipo de investigación encontró estos sitios de formación de agujeros negros en la simulación, al principio estaban perplejos, dijo John Regan, becario de investigación en el Centro de Astrofísica y Relatividad de la Universidad de la Ciudad de Dublín. El paradigma aceptado anteriormente era que los agujeros negros masivos solo podían formarse cuando se exponían a altos niveles de radiación cercana.

"Las teorías anteriores sugirieron que esto solo debería suceder cuando los sitios estuvieran expuestos a altos niveles de radiación que mata la formación de estrellas, ", dijo." A medida que profundizamos, vimos que estos sitios estaban atravesando un período de crecimiento extremadamente rápido. Esa fue la clave. La naturaleza violenta y turbulenta de la rápida asamblea, el violento choque de los cimientos de la galaxia durante el nacimiento de la galaxia impidió la formación normal de estrellas y condujo a las condiciones perfectas para la formación de agujeros negros. Esta investigación cambia el paradigma anterior y abre una nueva área de investigación ".

La teoría anterior se basó en la intensa radiación ultravioleta de una galaxia cercana para inhibir la formación de estrellas en el halo de formación de agujeros negros. dijo Michael Norman, director del San Diego Supercomputer Center en UC San Diego y uno de los autores del trabajo. "Si bien la radiación ultravioleta sigue siendo un factor, Nuestro trabajo ha demostrado que no es el factor dominante, al menos en nuestras simulaciones, " él explicó.

La investigación se basó en la suite Renaissance Simulation, un conjunto de datos de 70 terabytes creado en la supercomputadora Blue Waters entre 2011 y 2014 para ayudar a los científicos a comprender cómo evolucionó el universo durante sus primeros años. Para obtener más información sobre regiones específicas donde es probable que se desarrollen agujeros negros masivos, los investigadores examinaron los datos de simulación y encontraron diez halos específicos de materia oscura que deberían haber formado estrellas dada su masa, pero que solo contenían una densa nube de gas. Usando la supercomputadora Stampede2, luego volvieron a simular dos de esos halos, cada uno de aproximadamente 2, 400 años luz de diámetro, con una resolución mucho más alta para comprender los detalles de lo que estaba sucediendo en ellos 270 millones de años después del Big Bang.

"Fue solo en estas regiones demasiado densas del universo donde vimos que se formaban estos agujeros negros, ", Dijo Wise." La materia oscura crea la mayor parte de la gravedad, y luego el gas cae en ese potencial gravitacional, donde puede formar estrellas o un agujero negro masivo ".

Las Simulaciones del Renacimiento son las simulaciones más completas de las primeras etapas del ensamblaje gravitacional del gas prístino compuesto de hidrógeno y helio y materia oscura fría que conducen a la formación de las primeras estrellas y galaxias. Usan una técnica conocida como refinamiento de malla adaptativa para acercarse a grupos densos que forman estrellas o agujeros negros. Además, cubren una región lo suficientemente grande del universo primitivo como para formar miles de objetos, un requisito si uno está interesado en objetos raros, como es el caso aquí. "La alta resolución, Se necesitaba una rica física y una gran muestra de halos colapsantes para lograr este resultado, dijo Norman.

La resolución mejorada de la simulación realizada para dos regiones candidatas permitió a los científicos ver la turbulencia y la entrada de gas y aglomeraciones de materia que se forman a medida que los precursores del agujero negro comenzaron a condensarse y girar. Su tasa de crecimiento fue espectacular.

"Los astrónomos observan agujeros negros supermasivos que han crecido hasta mil millones de masas solares en 800 millones de años, ", Dijo Wise." Hacer eso requería una intensa convergencia de masa en esa región. Es de esperar eso en regiones donde las galaxias se estaban formando en épocas muy tempranas ".

Another aspect of the research is that the halos that give birth to black holes may be more common than previously believed.

"An exciting component of this work is the discovery that these types of halos, though rare, may be common enough, " said Brian O'Shea, a professor at Michigan State University. "We predict that this scenario would happen enough to be the origin of the most massive black holes that are observed, both early in the universe and in galaxies at the present day."

Future work with these simulations will look at the lifecycle of these massive black hole formation galaxies, studying the formation, growth and evolution of the first massive black holes across time. "Our next goal is to probe the further evolution of these exotic objects. Where are these black holes today? Can we detect evidence of them in the local universe or with gravitational waves?" Regan asked.

For these new answers, the research team—and others—may return to the simulations.

"The Renaissance Simulations are sufficiently rich that other discoveries can be made using data already computed, " said Norman. "For this reason we have created a public archive at SDSC containing called the Renaissance Simulations Laboratory where others can pursue questions of their own."